關(guān)鍵詞：虛擬物理交互技術(shù)；卡車HMI 系統(tǒng)；用戶交互；駕駛體驗(yàn)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

卡車是公路貨運(yùn)的重要載體，其艙內(nèi)人機(jī)交互界面（HMI）系統(tǒng)的性能對(duì)駕駛體驗(yàn)和行車安全有著重要影響。但現(xiàn)有的卡車HMI系統(tǒng)在操作邏輯、反饋時(shí)滯、視覺盲區(qū)等方面普遍存在不足。隨著虛擬物理交互（Virtual Physical Interaction Technology，VPIT）技術(shù)的興起，通過(guò)模擬真實(shí)物理世界的交互方式，為優(yōu)化卡車HMI系統(tǒng)提供了前景廣闊的新途徑。本文擬結(jié)合VPIT技術(shù)，針對(duì)當(dāng)前卡車HMI系統(tǒng)的痛點(diǎn)，提出一種全新的交互系統(tǒng)解決方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的效果。

1虛擬物理交互技術(shù)原理

VPIT是一種創(chuàng)新的人機(jī)交互范式，旨在通過(guò)模擬真實(shí)世界中的物理規(guī)律和現(xiàn)象，為用戶提供更加直觀、自然和高效的交互體驗(yàn)。VPIT系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理引擎和人工智能等技術(shù)，在數(shù)字環(huán)境中精確模擬物體的質(zhì)量、重力和摩擦力等物理屬性，使得用戶能夠像在現(xiàn)實(shí)世界中那樣操縱虛擬物體。例如，用戶可以通過(guò)手勢(shì)拖拽、旋轉(zhuǎn)虛擬物體，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算并呈現(xiàn)出逼真的運(yùn)動(dòng)軌跡和物理反應(yīng)。

VPIT系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及以下多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：物理仿真技術(shù)，用于準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律；手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，能捕捉用戶的手部動(dòng)作并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的交互指令;多模態(tài)交互技術(shù)，融合視覺、聽覺、觸覺等多種感官反饋，提供身臨其境的交互體驗(yàn);機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，使系統(tǒng)能夠不斷優(yōu)化并適應(yīng)用戶的操作習(xí)慣。此外，高性能的圖形渲染、傳感器技術(shù)等也是VPIT系統(tǒng)不可或缺的部分。這些技術(shù)的融合應(yīng)用，賦予了VPIT極高的靈活性和可擴(kuò)展性[1]。

2卡車HMI系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1系統(tǒng)架構(gòu)與組成

當(dāng)前大多數(shù)卡車的HMI系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括中控臺(tái)顯示系統(tǒng)、多功能方向盤控制系統(tǒng)、語(yǔ)音控制系統(tǒng)等。其中，中控臺(tái)顯示系統(tǒng)是HMI的核心，通常由一個(gè)或多個(gè)液晶顯示屏組成，用于展示導(dǎo)航、車輛狀態(tài)、多媒體娛樂等信息。方向盤上集成了諸如音量控制、撥號(hào)等多功能按鍵，駕駛員可在駕駛過(guò)程中進(jìn)行操作。此外，部分高端車型還配備了語(yǔ)音控制系統(tǒng)，支持語(yǔ)音指令對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行控制。

2.2用戶體驗(yàn)痛點(diǎn)分析

盡管現(xiàn)有卡車HMI系統(tǒng)在功能上較為完備，但在用戶體驗(yàn)方面仍存在諸多不足。交互方式單一且復(fù)雜，駕駛員需要在行駛中頻繁操作按鍵或觸摸屏幕，分散了太多注意力。反饋延遲較大，系統(tǒng)對(duì)駕駛員的操作指令無(wú)法及時(shí)做出響應(yīng)，造成操控體驗(yàn)低劣。信息展示形式呆板，過(guò)于枯燥的平面菜單和圖標(biāo)設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)。大多數(shù)HMI系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)駕駛環(huán)境和用戶習(xí)慣進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，無(wú)法滿足不同需求[2]。

2.3安全性能局限性

現(xiàn)有卡車HMI系統(tǒng)在安全性能方面也存在一些明顯的局限性?？ㄜ嚨凝嫶筌嚿頃?huì)帶來(lái)嚴(yán)重的視覺盲區(qū)，而大多數(shù)輔助系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)和提醒駕駛員關(guān)于盲區(qū)內(nèi)的障礙物信息；而且復(fù)雜的操作界面會(huì)強(qiáng)行分散駕駛員的注意力，導(dǎo)致駕駛員視線和注意力長(zhǎng)時(shí)間離開道路，從而增加了發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于一些應(yīng)急情況，現(xiàn)有HMI系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，無(wú)法及時(shí)引導(dǎo)駕駛員采取正確的應(yīng)對(duì)措施，也會(huì)造成一定的安全隱患。

3基于VPIT的卡車HMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文提出的基于VPIT的卡車HMI交互系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為視覺呈現(xiàn)模塊、手勢(shì)控制模塊、多模態(tài)反饋模塊和決策引擎模塊（圖1）。視覺呈現(xiàn)模塊利用AR技術(shù)將車輛數(shù)據(jù)以3D虛擬場(chǎng)景投影到駕駛員視野；手勢(shì)控制模塊通過(guò)深度相機(jī)捕獲手部動(dòng)作，轉(zhuǎn)化為控制指令；多模態(tài)反饋模塊融合視覺、聽覺和觸覺三種反饋；決策引擎模塊根據(jù)車輛環(huán)境數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作。我們針對(duì)各模塊進(jìn)行了實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等方面的評(píng)估，結(jié)果如表1。

3.2視覺信息呈現(xiàn)與交互模塊

該模塊核心是基于AR的3D用戶界面，將車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)渲染為虛擬場(chǎng)景并覆蓋至駕駛員視野。界面根據(jù)環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整布局，如夜間自動(dòng)降低亮度。駕駛員可通過(guò)手勢(shì)與界面交互，如揮手控制導(dǎo)航界面切換。手勢(shì)識(shí)別融合骨架和深度兩種檢測(cè)機(jī)制，在復(fù)雜背景下使用Mask R-CNN分割手部。我們對(duì)該模塊在不同場(chǎng)景的表現(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試（表2）。

3.3多模態(tài)反饋與手勢(shì)控制模塊

系統(tǒng)融合了視覺、聽覺和觸覺三種反饋模式，提供多層次的交互體驗(yàn)。如遭遇盲區(qū)障礙物時(shí)，將同步作出視覺警示、聽覺提醒和振動(dòng)觸覺反饋。聽覺反饋通過(guò)基于HRTFs的3D音頻渲染技術(shù)生成；觸覺反饋由線性動(dòng)力學(xué)模型模擬。手勢(shì)控制融合肌電與視覺檢測(cè)，精準(zhǔn)識(shí)別多種手勢(shì)指令[3]。我們測(cè)試了各模態(tài)在不同條件下的有效性（表3）。

3.4關(guān)鍵算法優(yōu)化

我們針對(duì)系統(tǒng)的視覺渲染、手勢(shì)識(shí)別和反饋融合三個(gè)核心環(huán)節(jié)進(jìn)行了算法優(yōu)化，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表4?？梢钥闯觯植际戒秩究蚣軐⑷蝿?wù)分散至GPU集群，可實(shí)現(xiàn)52FPS的高吞吐量；基于HDP-HMM的手勢(shì)分類算法平均延遲36.0ms；DDPG深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)用于反饋時(shí)序自適應(yīng)調(diào)節(jié)，延遲僅18.0ms。大量測(cè)試數(shù)據(jù)和評(píng)估指標(biāo)驗(yàn)證了我們方案在多個(gè)模塊和算法層面的高性能表現(xiàn)，能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜駕駛場(chǎng)景，顯著提升HMI系統(tǒng)的交互體驗(yàn)。

4仿真實(shí)驗(yàn)與性能評(píng)估

4.1仿真平臺(tái)與測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)

為全面評(píng)估基于VPIT的卡車HMI系統(tǒng)方案，我們構(gòu)建了一個(gè)高保真虛擬仿真平臺(tái)，核心是基于Unreal Engine 5開發(fā)的交互式3D環(huán)境，支持VR、AR和MR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)無(wú)縫集成。真實(shí)卡車駕駛艙3D模型被導(dǎo)入其中，駕駛員可身臨其境地體驗(yàn)逼真駕駛（圖2）。

除視覺效果的高度仿真外，平臺(tái)還對(duì)車輛物理模型、道路交通規(guī)則等進(jìn)行了精確建模。我們使用三維激光掃描技術(shù)獲取20輛不同車型的精細(xì)3D模型，平均精度0.2mm。并采集40余項(xiàng)真實(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建高保真物理仿真系統(tǒng)，與真車動(dòng)力學(xué)誤差控制在5%以內(nèi)[4]。

平臺(tái)設(shè)置了14種典型駕駛測(cè)試場(chǎng)景，包括城市道路、高速公路和山路等，覆蓋各種復(fù)雜情況。每個(gè)場(chǎng)景可任意調(diào)整天氣、時(shí)間、交通流量等參數(shù)，模擬極端環(huán)境。我們基于真實(shí)交通事故數(shù)據(jù)，構(gòu)建20余種高風(fēng)險(xiǎn)事件隨機(jī)植入場(chǎng)景，如行人穿行、車輛變道等，用于測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)急性能。

該平臺(tái)與VPIT卡車HMI系統(tǒng)深度集成。駕駛員可通過(guò)外設(shè)體驗(yàn)全新交互模式。我們采集20名駕駛員1500小時(shí)真實(shí)駕駛數(shù)據(jù)引入平臺(tái)，用于標(biāo)定和優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，確保與真實(shí)場(chǎng)景高度一致，模擬誤差控制在3%以內(nèi)。

4.2用戶體驗(yàn)測(cè)評(píng)

為全面評(píng)測(cè)我們提出的VPIT卡車HMI系統(tǒng)方案的實(shí)際表現(xiàn)，我們組織了一項(xiàng)覆蓋50名專業(yè)卡車駕駛員的大規(guī)模用戶體驗(yàn)測(cè)試。所有參與者均具備3年以上的卡車駕齡，并被隨機(jī)分為兩組，一組使用傳統(tǒng)HMI系統(tǒng)，另一組使用我們新開發(fā)的VPIT系統(tǒng)，進(jìn)行為期4周的駕駛測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程中，每位參與者需要在14種不同的虛擬駕駛場(chǎng)景下完成89次預(yù)設(shè)的典型駕駛?cè)蝿?wù)，包括轉(zhuǎn)彎駛?cè)肼房?、變道繞過(guò)障礙物、緊急制動(dòng)等操作。此外，他們還需要在6種極端情況下應(yīng)對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)植入的高風(fēng)險(xiǎn)事件，如行人突然穿行車道、前車緊急變道等，用于評(píng)估兩種系統(tǒng)在應(yīng)急情況下的反應(yīng)性能。

為全面收集用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們采取了主觀評(píng)分和客觀測(cè)量相結(jié)合的方式。主觀評(píng)分方面，參與者需要對(duì)系統(tǒng)在操作便捷性、視覺質(zhì)量、反饋合理性等8個(gè)維度進(jìn)行1～5分的評(píng)價(jià)打分，最終我們獲得了6120份有效評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)。客觀測(cè)量方面，我們使用專業(yè)醫(yī)用設(shè)備記錄了參與者在測(cè)試過(guò)程中的心電、腦電等14項(xiàng)生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz，共計(jì)21TB原始數(shù)據(jù)。同時(shí)，仿真平臺(tái)還自動(dòng)采集了參與者的轉(zhuǎn)向角度、油門/制動(dòng)踏板行程等12種操控?cái)?shù)據(jù)，以及與障礙物的時(shí)空距離信息，共計(jì)17GB行為軌跡數(shù)據(jù)[5]。

4.3性能數(shù)據(jù)分析

大量實(shí)證數(shù)據(jù)驗(yàn)證了我們方案在用戶體驗(yàn)、駕駛安全性等多方面的卓越表現(xiàn)。主觀評(píng)分方面，VPIT系統(tǒng)在操作便捷性、視覺質(zhì)量、反饋合理性等8個(gè)維度的平均得分顯著高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，差異在p＜0.001水平上極其顯著，說(shuō)明用戶高度認(rèn)可VPIT自然流暢的交互方式、出色視覺效果和合理多模態(tài)反饋。生理數(shù)據(jù)分析顯示，使用VPIT系統(tǒng)時(shí)，參與者平均心率76.2次/min、腦電波α波35%，低于傳統(tǒng)系統(tǒng)（83.5次/min、62%），說(shuō)明VPIT能有效降低認(rèn)知壓力，減少注意力分散，提高駕駛安全性。

在89次常規(guī)任務(wù)中，VPIT系統(tǒng)組平均反應(yīng)時(shí)間367.0ms，比傳統(tǒng)系統(tǒng)527.0ms快30.4%。在6種極端情況下，VPIT組碰撞事故12次、誤操作23次，傳統(tǒng)組則高達(dá)36次和68次，安全風(fēng)險(xiǎn)明顯更高。我們分析了與障礙物最小距離這一關(guān)鍵指標(biāo)。在20種高風(fēng)險(xiǎn)事件中，VPIT系統(tǒng)組平均最小距離1.8m，而傳統(tǒng)系統(tǒng)組僅1.2m，差距高達(dá)50%，再次證明VPIT系統(tǒng)對(duì)提升駕駛安全性的卓越作用。以上大量實(shí)證數(shù)據(jù)分析充分驗(yàn)證了我們方案在用戶體驗(yàn)和駕駛安全性等層面的卓越性能，為其在卡車領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)理論實(shí)踐基礎(chǔ)，將推動(dòng)HMI系統(tǒng)邁向更安全、人性化的新階段。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)卡車HMI系統(tǒng)存在的痛點(diǎn)，提出了一種創(chuàng)新的基于虛擬物理交互技術(shù)的卡車HMI交互系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)充分利用了VPIT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，如模擬真實(shí)物理反饋、多模態(tài)交互等，從視覺呈現(xiàn)、操作控制、反饋機(jī)制等多個(gè)層面對(duì)原有HMI系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，所提出的VPIT卡車HMI系統(tǒng)在提升操作效率、減少視覺盲區(qū)、增強(qiáng)駕駛安全性等方面都取得了顯著效果?？梢灶A(yù)見，基于VPIT技術(shù)的卡車HMI交互系統(tǒng)必將成為未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)，對(duì)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新具有重要意義。在后續(xù)研究中，我們還將進(jìn)一步優(yōu)化算法性能，探索VPIT技術(shù)與自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的融合應(yīng)用，以期為智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代的到來(lái)做好充分準(zhǔn)備。

作者簡(jiǎn)介：

謝煜璇，碩士，研究方向?yàn)橹悄茈妱?dòng)車輛感知決策、多感官交互設(shè)計(jì)。